地鐵施工盾構(gòu)機選型及施工組織探討

王建輝

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

1 地鐵施工中盾構(gòu)機選型概述

1.1 影響盾構(gòu)機選型的不利因素

（1）建筑物與地下設(shè)施。在地鐵工程施工中，盾構(gòu)機需要穿越重要房屋、構(gòu)筑物與地下管線等設(shè)施，如水泥灌注樁、雨污水管等，如果盾構(gòu)機選型不當(dāng)，容易出現(xiàn)土體流失、土壓力過低、漏水漏砂和出土量過大等問題，存在施工質(zhì)量隱患，并加大了盾構(gòu)機掘進(jìn)難度。在這一工程背景下，一方面，需要做好施工監(jiān)測與地質(zhì)勘察作業(yè)，提前掌握施工現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層情況，合理制定盾構(gòu)機掘進(jìn)方案。另一方面，應(yīng)根據(jù)穿過地段地質(zhì)條件與障礙物分布情況，合理選擇盾構(gòu)機中的刀盤形式與刀具配置方式，可盡量減輕刀具磨耗程度。同時，優(yōu)先配置泥水平衡盾構(gòu)機，與其他類型盾構(gòu)機相比，這類盾構(gòu)機具有良好的地層沉降變形控制能力，可以減小盾構(gòu)機掘進(jìn)作業(yè)對周邊環(huán)境造成的影響。

（2）地質(zhì)條件。地鐵工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜多變的特征，往往會穿越砂礫、中砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等地段，部分地段地層的透水率較大，對盾構(gòu)機設(shè)備的承壓性能有著嚴(yán)格要求，如果盾構(gòu)機配置不當(dāng)，在施工中容易出現(xiàn)漏水漏砂現(xiàn)象，在嚴(yán)重時還將出現(xiàn)盾構(gòu)機“栽頭”問題。

此外，地層結(jié)構(gòu)與地質(zhì)條件也是盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)配置的主要依據(jù)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)工程實際情況對盾構(gòu)機的功能結(jié)構(gòu)與部件形式數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。例如，在北京地鐵四號、五號、十號線工程中，由于穿越地層中局部分布礫巖地層，為改善盾構(gòu)機的破巖性能，選擇在盾構(gòu)機掛刀結(jié)構(gòu)中額外設(shè)置一定數(shù)量的滾刀。

（3）區(qū)間埋深與隧道直徑。根據(jù)實際施工情況來看，在不同地鐵工程中，由于各區(qū)間埋深情況與隧道直徑參數(shù)存在明顯差異，對盾構(gòu)機設(shè)備的規(guī)格型號與性能所提有著特殊要求。因此，在制定盾構(gòu)機選型方案時，工作人員必須重點考慮這一問題。例如，在深圳地鐵7號線工程中，為滿足實際的施工需要，根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)條件、區(qū)間埋深變化情況與隧道直徑，定制一款新型的土壓平衡式盾構(gòu)機，將其命名為“雄風(fēng)1號”，該盾構(gòu)機開挖直徑為6.28m，主機重量超過500t，將雄風(fēng)1號盾構(gòu)機用于開展北環(huán)大道與龍珠大道交叉口北側(cè)的地鐵7號線7302標(biāo)段的深云站始發(fā)掘進(jìn)作業(yè)。

（4）地層滲水系數(shù)。在制定盾構(gòu)機選型方案時，應(yīng)將地層滲水系數(shù)作為重要的衡量指標(biāo)，正確掌握地層滲透性和盾構(gòu)機選型二者關(guān)系，確保所配置盾構(gòu)機設(shè)備可以有效適應(yīng)地鐵區(qū)間地層中的土壓平衡環(huán)境。例如，在地層透水系數(shù)不超過10-7m/s時，優(yōu)先配置土壓平衡式盾構(gòu)機。在地層透水系數(shù)超過10-4m/s時，優(yōu)先配置泥水式平衡盾構(gòu)機。而在地層透水系數(shù)保持在10-7～10-4m/s時，可以配置泥水平衡盾構(gòu)機或是土壓平衡盾構(gòu)機。

1.2 盾構(gòu)機選型原則

（1）適用性原則。要求所配置盾構(gòu)機設(shè)備滿足各項性能指標(biāo)要求，并具備到頭易于更換、配備氣壓艙、具備鉸接系統(tǒng)、獨立存在加泥與加泡沫系統(tǒng)等使用功能。同時，根據(jù)工程設(shè)計要求與現(xiàn)場地質(zhì)情況，對盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)體系與功能模塊進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。（2）技術(shù)先進(jìn)性原則。在多個種類盾構(gòu)機的使用性能均滿足實際施工需要與設(shè)計要求的前提下，需要從技術(shù)先進(jìn)、可操作性、刀頭使用壽命等維度進(jìn)行綜合評分，從中配置綜合評分最高的盾構(gòu)機，以此提高地鐵施工水準(zhǔn)，為工程質(zhì)量提供保障。（3）經(jīng)濟合理性原則。為控制工程造價成本，避免產(chǎn)生不必要的成本支出，在確保盾構(gòu)機設(shè)備使用性能達(dá)標(biāo)的前提下，可以選擇配置現(xiàn)有的盾構(gòu)機設(shè)備，而非新購盾構(gòu)機。

1.3 盾構(gòu)機類型比選

以上提及，在部分地鐵工程中，具備配置多種類盾構(gòu)機設(shè)備的基礎(chǔ)條件，如何從中選擇最佳種類的盾構(gòu)機，則是盾構(gòu)機選型工作的重點。在這一工程背景下，應(yīng)從施工技術(shù)、經(jīng)濟效益等方面進(jìn)行比較分析。例如，在北京地鐵四號、五號、十號線工程中，同時具備配置泥水式盾構(gòu)機與加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的條件，工作人員從經(jīng)濟技術(shù)方面對兩種機型進(jìn)行比較分析，比較項目包括適用地層、止水性、方向控制、排土設(shè)備、開挖效率、綜合造價、配套設(shè)備、大源石處理等。最終，選擇配置加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。

1.4 盾構(gòu)機關(guān)鍵功能的選擇

在多數(shù)地鐵工程中，要求盾構(gòu)機在一般性功能外，具體有以下使用功能：（1）刀頭易于更換。采取螺栓連接方式來固定連接刀盤外側(cè)分布的刀頭，要求盾構(gòu)機在開艙8h內(nèi)完成刀頭更換作業(yè)。同時，具備滾刀與刮刀互換功能，在盾構(gòu)機穿越巖層等特殊地層時，可以直接互換滾刀與刮刀，無須開艙開展更換刀頭作業(yè)。（2）配備氣壓艙?？紤]到地下作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)在盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)中配備氣壓艙。如此，工作人員可以在密封艙內(nèi)開展刀頭刀盤等配件的檢修與更換作業(yè)，避免在出現(xiàn)突發(fā)狀況時造成人員傷亡。（3）螺栓連接。為提高設(shè)備組裝調(diào)試速度，預(yù)防和減少設(shè)備故障問題的出現(xiàn)，優(yōu)先配置采取分割設(shè)計理念制造的盾構(gòu)機，將盾體結(jié)構(gòu)分割為若干部件，通過螺栓連接方式，將若干部件連接組裝為整體性的盾體結(jié)構(gòu)。

2 地鐵施工中盾構(gòu)機的施工組織及質(zhì)量控制措施

2.1 總體施工組織

根據(jù)實際施工情況來看，在一般施工條件下，地鐵工程盾構(gòu)法的施工組織流程由準(zhǔn)備階段、盾構(gòu)到達(dá)階段、盾構(gòu)空推階段、盾構(gòu)始發(fā)階段四部分組成。其中，在施工準(zhǔn)備階段，組織內(nèi)容包括里程復(fù)測、導(dǎo)臺復(fù)測、暗挖隧道斷面復(fù)測、到達(dá)端頭檢查與貫通準(zhǔn)備。在盾構(gòu)到達(dá)階段，組織內(nèi)容包括盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝、同步注漿和端頭密封墻拆除。在盾構(gòu)空推階段，施工組織內(nèi)容包括在導(dǎo)臺兩側(cè)與前端部位放置米石、盾構(gòu)機空推、同步注漿、管片拼裝、噴填米石、管片回填質(zhì)量檢查，直至盾構(gòu)機掘進(jìn)至掌子面。而在盾構(gòu)始發(fā)階段，施工組織內(nèi)容為暗挖盾構(gòu)交界處二次注漿與暗挖段壓密注漿。

2.2 施工準(zhǔn)備階段

為減小各方面因素對地鐵工程質(zhì)量造成的影響，在正式施工前，應(yīng)組織開展前期準(zhǔn)備工作。首先，對地鐵暗挖段、斷面點、暗挖貫通面等部位進(jìn)行測量定位，測量項目包括凈空測量、復(fù)核測量、測量導(dǎo)向平臺內(nèi)徑等，全面掌握工程現(xiàn)場環(huán)境情況，采取相應(yīng)的處理措施，如處理特殊部位的土方超/欠挖問題、調(diào)整盾構(gòu)機空推隧道軸線偏差等。其次，制定盾構(gòu)機空推步進(jìn)方案，在已知的初期支護(hù)與管片背后間隙值、各區(qū)段設(shè)計工程量、填料空隙率等信息基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計算各區(qū)段的回填量與砂漿用量，將方案作為開展同步注漿與管片安裝作業(yè)的指導(dǎo)性文件。再次，為改善前后工序環(huán)節(jié)之間的銜接性，有效控制周邊地表的沉降值，組織開展暗挖段地鐵隧道的抽排水與回灌作業(yè)。最后，對盾構(gòu)機的始發(fā)與到達(dá)端頭部位的環(huán)境情況進(jìn)行檢查，確定一切無誤后，即可開展盾構(gòu)機掘進(jìn)作業(yè)。

2.3 盾構(gòu)機到達(dá)階段

在盾構(gòu)機到達(dá)階段，對現(xiàn)場情況進(jìn)行實地考察，如果現(xiàn)場情況與方案內(nèi)容存在出入，則對盾構(gòu)機掘參數(shù)與方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，在到達(dá)段隧道洞身分布中風(fēng)化花崗巖與強風(fēng)化花崗巖時，將盾構(gòu)機工作模式切換至半敞開掘進(jìn)模式，將盾構(gòu)機掘進(jìn)速度保持在0.015m/min以內(nèi)，根據(jù)實際掘進(jìn)情況適當(dāng)調(diào)整設(shè)備推力。隨后，待盾構(gòu)機掘進(jìn)至端頭密封墻部位時，將盾構(gòu)機切換至停機狀態(tài)，對管片背后部位開展注漿作業(yè)，將注漿壓力值控制在0.25MPa左右，將水泥漿液與水玻璃漿液二者比值控制在1∶0.8，當(dāng)?shù)貙涌紫兜玫接行Х舛?，不再持續(xù)滲出孔隙水后，表明注漿質(zhì)量達(dá)標(biāo)，操縱盾構(gòu)機開展掘進(jìn)作業(yè)來貫通暗挖隧道。最后，將盾構(gòu)機推進(jìn)至暗挖隧道和盾構(gòu)交界面5m處，停止盾構(gòu)機推進(jìn)，對貫通面前后兩側(cè)的管片背后部位開展注漿作業(yè)，直至漿液溢出，要求管片背后空間填充密實，以此預(yù)防管片上浮、錯臺等施工問題的出現(xiàn)。

2.4 盾構(gòu)機空推階段

（1）持續(xù)對盾構(gòu)機空推前進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，正確掌握盾構(gòu)刀盤和導(dǎo)向平臺二者實時關(guān)系，在其基礎(chǔ)上對調(diào)整盾構(gòu)機推進(jìn)組油缸行程，確保盾構(gòu)機沿中心方向向前推進(jìn)，確保管片受力均勻。同時，在前方暗挖隧道阻力過小的特殊施工情況下，可選擇向盾體周邊區(qū)域噴射適量的石料，這將起到提高反推力與摩擦阻力的作用，減小暗挖隧道環(huán)縫間滲出水體對管片拼裝質(zhì)量造成的影響。

（2）在拼裝的管片脫出盾構(gòu)機盾尾時，同步組織開展噴射米石作業(yè)，所噴射米石將起到管片支撐的作用，避免管片受自身質(zhì)量與外力影響出現(xiàn)下沉錯臺現(xiàn)象。與此同時，為改善米石噴射質(zhì)量，盡可量使用5～10mm粒徑的花崗巖作為回填料，在盾構(gòu)機刀盤前方配置多臺噴漿機設(shè)備，在盾構(gòu)機空推過程中，噴漿機持續(xù)向盾構(gòu)機后方間隙部位噴射回填料，將噴射壓力控制在0.3MPa左右，將噴射速率保持在8m3/h左右。如此，在盾構(gòu)機推進(jìn)過程中，將為所拼裝管片提供一定的反力，起到改善止水條擠壓條件與暗挖隧道防水性能的效果。

（3）在盾構(gòu)機空推過程中，運行設(shè)備配備的同步注漿系統(tǒng)，同步開展米石回填與注漿作業(yè)，并根據(jù)米石回填情況調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)，以及埋入注漿流量、注漿壓力、注漿速度等參數(shù)。同時，在暗挖隧道下坡度較大等特殊情況下，需要將單次注漿量控制在設(shè)計值的70%左右，在盾構(gòu)機抵達(dá)暗挖二次始發(fā)端頭后，再開展二次注漿作業(yè)，補全剩余的30%注漿量。

2.5 盾構(gòu)機空推過中間橫通道階段

在盾構(gòu)機空推至中間橫通道環(huán)節(jié)，考慮到地鐵工程中雙線盾構(gòu)機抵達(dá)暗挖隧道段往往存在一個時間差，導(dǎo)致暗挖隧道暴露時間較長，容易地層沉降等施工問題，并對周邊地層建筑物造成不利影響。為預(yù)防此類問題的出現(xiàn)，在盾構(gòu)機抵達(dá)暗挖段后，應(yīng)在通道洞身兩端分別設(shè)置適當(dāng)厚度的全面段磚墻，在墻體表面均勻涂刷水泥砂漿層。與此同時，針對盾構(gòu)機未抵達(dá)暗挖段的線路，對隧道開展蓄水作業(yè)，在一段時間內(nèi)保持隧道地下水位的平衡狀態(tài)，當(dāng)盾構(gòu)機抵達(dá)暗挖段后，開展抽排水作業(yè)，操控盾構(gòu)機快速通過暗挖段，對通道與豎井進(jìn)行回填處理。

2.6 盾構(gòu)機始發(fā)階段

在盾構(gòu)機始發(fā)階段，將盾擊推進(jìn)至二次始發(fā)端頭部位，控制盾構(gòu)機進(jìn)入地層，對暗挖段開展全面回填注漿作業(yè)，密實填充二次襯砌管片和隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)間的空隙，優(yōu)先使用膠凝速度較快的單液漿，將管片上部孔位作為起始點，延伸開展注漿作業(yè)，將注漿壓力值保持在0.3MPa左右，完成暗挖段壓密注漿作業(yè)。隨后，每隔2～3d對注漿效果進(jìn)行檢查，在必要情況下，對暗挖段開展壓密補充注漿作業(yè)。

3 地鐵施工中盾構(gòu)機施工組織的優(yōu)化措施

3.1 關(guān)鍵節(jié)點提前開工

（1）為追趕施工進(jìn)度，縮短工期，在地鐵工程施工準(zhǔn)備階段，在保證施工質(zhì)量與安全的前提下，可以提前組織開展關(guān)鍵節(jié)點的施工活動，對施工組織計劃進(jìn)行調(diào)整。例如，針對車站節(jié)點，在不具備車站整體開工條件時，可以提前開展車站端頭井作業(yè)，將盾構(gòu)機始發(fā)位置調(diào)整至另一端，將車站端頭作為盾構(gòu)機的接收位置，避免對后續(xù)機電設(shè)備安裝、鋪設(shè)軌道、土建專業(yè)的工期造成影響。

（2）提前開展中間風(fēng)井與豎井作業(yè)，將配線井視作為獨立狀態(tài)的盾構(gòu)機發(fā)井，提前6～8個月修建施工豎井和中間風(fēng)井，為盾構(gòu)機始發(fā)作業(yè)的開展提供基礎(chǔ)條件。

（3）利用施工準(zhǔn)備與正式施工階段中的時間差，從工程現(xiàn)場中選擇一處區(qū)段作為試驗段，開展試驗段施工，根據(jù)施工過程與結(jié)果，對施工方案與組織計劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.2 既有盾構(gòu)機資源的利用

在早期建成的地鐵工程中，施工企業(yè)往往選擇引進(jìn)招投標(biāo)機制來采購盾構(gòu)機，盾構(gòu)機的招標(biāo)、合同談判與制造周期為1～2年，致使地鐵工程工期過長，產(chǎn)生額外的時間成本。與此同時，部分地鐵工程土建部分具備盾構(gòu)始發(fā)條件，但由于盾構(gòu)機尚未交付組裝，無法第一時間開展盾構(gòu)施工。

針對這一問題，企業(yè)應(yīng)轉(zhuǎn)變自身施工理念。一方面，提高對既有盾構(gòu)機資源的利用率，如采取租賃與采購方式，購置運行工況良好的現(xiàn)有盾構(gòu)機設(shè)備，如此，現(xiàn)有盾構(gòu)機經(jīng)過維護(hù)保養(yǎng)與返廠檢修后，可以在短時間內(nèi)投入使用，這將大幅提高施工進(jìn)度，提前開展盾構(gòu)機始發(fā)作業(yè)。另一方面，企業(yè)實施盾構(gòu)機甲供模式，在項目策劃立項階段提前委托盾構(gòu)機生產(chǎn)與組裝企業(yè)按規(guī)定組裝盾構(gòu)機與配套設(shè)備，以此縮減盾構(gòu)機的生產(chǎn)組裝周期，在土建部分具備始發(fā)條件前，即可將盾構(gòu)機設(shè)備運輸入場進(jìn)行組裝連接。

3.3 調(diào)整平均掘進(jìn)指標(biāo)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，受到外部環(huán)境變化因素的影響，以及在穿越不同地層時，容易出現(xiàn)突發(fā)問題，如果問題沒有在一定時間內(nèi)得到解決，或是對施工方案進(jìn)行調(diào)整，將會降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率，嚴(yán)重時還會加劇設(shè)備的磨損程度。因此，在施工期間，應(yīng)持續(xù)對施工現(xiàn)場情況與盾構(gòu)機運行狀態(tài)進(jìn)行觀測，在必要情況下對盾構(gòu)機的平均掘進(jìn)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以此適應(yīng)所處的隧道暗挖段環(huán)境。

3.4 工期合理交叉

在地鐵工程施工階段，往往面臨著工期緊張與現(xiàn)場組織籌劃編制困難的問題，如果逐項開展各專業(yè)施工活動，雖然可以降低施工組織管理難度，避免產(chǎn)生專業(yè)沖突，但卻會延長施工工期，致使工程無法如期竣工交付。因此，為滿足工期要求，在施工組織期間，需要采取工期合理交叉措施，協(xié)同開展土建、鋪設(shè)軌道、機電設(shè)備安裝與盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)。例如，在車站施工階段，先行組織盾構(gòu)始發(fā)端施工，提前將盾構(gòu)機下井安裝，確保盾構(gòu)機后配套一次下井。隨后，拆除站臺層軌行區(qū)的部分排架，在盾構(gòu)機折返施工前，完成站臺層的軌道鋪設(shè)作業(yè)，移交站臺層。

此外，在面對復(fù)雜地形條件時，通過調(diào)整工期與施工組織計劃，還將起到降低施工難度與追趕工期進(jìn)度的作用。施工企業(yè)與參建單位進(jìn)行協(xié)商討論，選擇在方案中采取巖溶孔洞封堵措施，并采取雙線盾構(gòu)掘進(jìn)方式，在阜埠河路站至碧沙湖站右線率先穿過湘江巖溶區(qū)，在預(yù)定工期節(jié)點內(nèi)完成洞通施工。

4 結(jié)語

綜上所述，為建設(shè)優(yōu)質(zhì)地鐵工程，全方面滿足工程建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度工期等方面的要求。因此，施工企業(yè)應(yīng)遵循適用性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟合理性原則，結(jié)合工程實際需要，做好盾構(gòu)機設(shè)備選型工作。同時，深入了解施工組織內(nèi)容與質(zhì)控要點，落實上述優(yōu)化措施，做到對各道工序的合理銜接。